超温处理对热等静压FGH96合金PPB及主要力学性能的影响

钟燕，伏宇，田伟，李佳佳，郑渠英，迟悦

(1.中国燃气涡轮研究院，成都610500；2.沈阳黎明发动机(集团)有限责任公司，沈阳110043；3.北京钢铁研究总院高温材料研究所，北京100081)

超温处理对热等静压FGH96合金PPB及主要力学性能的影响

钟燕1，伏宇1，田伟1，李佳佳1，郑渠英2，迟悦3

(1.中国燃气涡轮研究院，成都610500；2.沈阳黎明发动机(集团)有限责任公司，沈阳110043；3.北京钢铁研究总院高温材料研究所，北京100081)

研究了超温对热等静压FGH96合金原始颗粒边界(PPB)、拉伸性能及冲击性能的影响，并分析了力学性能试样的宏观和微观断口特征。分析发现，超温后FGH96合金中的PPB会有所增加，且随着超温温度的提高，增加得更为明显；相同超温温度下，超温时间对PPB的影响不明显。超温后热等静压FGH96合金的拉伸强度有所降低，而拉伸塑性和冲击韧性略有提高，拉伸断口和冲击断口沿PPB开裂的特征更加明显。

航空发动机；粉末高温合金；超温；热等静压FGH96合金；原始颗粒边界；力学性能；断口分析

1 引言

涡轮盘和挡板是航空发动机中的关键热端转动部件，其工作条件极其恶劣，承受着复杂的热、机械载荷，对材料性能的要求非常高。粉末高温合金是20世纪60年代诞生的高温合金，由于其具有组织均匀、无宏观偏析、屈服强度高和抗疲劳性能好等优点，很快成为先进航空发动机涡轮盘和挡板的首选材料[1-4]。FGH96合金是我国研发的第二代损伤容限型粉末高温合金，与美国的René88DT合金相近。与第一代粉末高温合金FGH95相比，FGH96合金的强度有所降低，但抗裂纹扩展能力明显提高，最高使用温度可达750℃[5-7]。

航空发动机在试验和工作过程中，涡轮盘、挡板等零件难免出现突发性局部短时超温，超温后的零件温度可达800℃，尤其是发生转、静子碰磨故障导致冷却系统破坏后，零件的局部瞬时温度甚至高达900℃。零件局部超温会使材料遭受过热或过烧损伤，导致其组织和性能发生变化[8-10]。因此，研究超温对FGH96合金组织及性能的影响，掌握超温后原始颗粒边界(PPB)和主要力学性能的变化规律，了解超温试样的断口特征，对涡轮转子故障的定性分析和对超温后涡轮盘及挡板使用安全性评估，都具有重要意义。

2 模拟超温试验方案

采用北京钢铁研究总院研制的热等静压FGH96合金进行模拟超温试验。参照FGH96合金的热处理制度[11]和发动机中可能出现的超温情况，按较苛刻的条件制定几种加热方案，对其进行加热处理，以此模拟发动机中涡轮盘和挡板的超温情况，并分析超温对PPB及主要性能的影响。

热等静压后的FGH96合金坯料采用7种热处理制度(表1)在大气环境中进行热处理。制度1为热等静压FGH96合金常用的标准热处理制度，固溶处理为1150～1170℃/2 h/空冷→550～580℃/快冷，时效处理为770～790℃/16 h/空冷。制度2～制度4是采用标准热处理后的FGH96合金，在最高使用温度750℃下经不同保温时间的加热处理。制度5～制度7是采用标准热处理后的FGH96合金，模拟不同温度下的超温处理。

表1 热等静压FGH96合金的热处理制度Table 1 The heat treatment process of HIP FGH96 alloys

采用Olympus光学显微镜，对不同制度处理后的FGH96合金的金相组织及PPB进行分析。金相试样经磨制和抛光后，采用kalling试剂(CuCl25 g+ HCl 100 ml+CH3CH2OH 100 ml)进行腐蚀，腐蚀时间90 s，环境温度30℃。采用ZEISS扫描电子显微镜，对FGH96合金PPB的显微组织及微区成分进行分析。采用INSTRON材料试验机，对不同制度处理后的FGH96合金的拉伸性能进行检测，并采用扫描电镜对拉伸断口进行分析。

3 试验结果与分析

3.1 超温处理后的显微组织分析

图1(a)为FGH96合金按制度1处理后的金相组织，合金的晶粒尺寸均匀，晶粒直径约为30～45 μm，并保留有孪晶组织；合金中存在一定数量的PPB，但没有连接成完整的球形。图1(b)为按制度2处理后的金相组织，与图1(a)相比，孪晶组织有所减少，PPB形貌更加明显。图1(c)、图1(d)分别为按制度5和制度6处理后的金相组织，可见随着超温温度的升高，合金中的PPB明显增多，孪晶组织逐渐减少。超温温度达到850℃时，合金中的PPB非常明显，连接成了规则的球形。

图2示出了FGH96合金按制度3和制度4处理后的金相组织。可见，加热温度相同时，延长加热时间对FGH96合金的金相组织没有明显影响，PPB和孪晶组织没有发生显著变化。

采用扫描电镜对FGH96合金中的PPB进行显微分析，按制度1和制度6处理后的PPB形貌见图3。采用能谱仪对PPB的成分进行半定量分析，结果见图4。可见，PPB的主要成分为合金元素Ti、Nb、W与C形成的碳化物，且O含量也相对较多。按制度1处理的FGH96合金中，PPB上的碳化物颗粒较少，间距较大。按制度6处理的FGH96合金中，PPB上的碳化物颗粒连接成了连续的网状结构。

FGH96合金在热等静压及标准热处理时，会有少量碳化物在粉末原始表面析出，形成PPB。碳化物选择在粉末原始表面析出的原因，是粉末原始表面的氧含量相对较多，氧化物的存在降低了碳化物形成时所需的形核能，碳化物以这些氧化物为核心，在粉末颗粒边界形成大的碳化物。

加热温度较低时，合金中C、Ti、W等碳化物形成元素扩散的驱动力，不足以促使其扩散并形成碳化物。加热温度较高甚至超温时，碳化物形成元素扩散系数增加，会在原有碳化物及氧化物颗粒上优先形核，进一步析出新的碳化物。因此，超温温度增加可导致FGH96合金中的PPB更加严重。相比于超温温度，超温时间对PPB的影响不太显著。

3.2 超温处理后的力学性能分析

分别对按制度1、制度5和制度7处理后的FGH96合金试样进行650℃拉伸性能试验，拉伸强度和拉伸塑性分别如图5(a)、图5(b)所示。可见，FGH96合金经1 h超温处理后，拉伸强度略有降低，而塑性有所升高。

图1 不同温度超温处理后FGH96合金的PPBFig.1 The PPB of HIP FGH96 alloys for different overheat treatment temperature

图2 不同时间超温处理后FGH96合金的PPBFig.2 The PPB of HIP FGH96 alloys for different overheat treatment time

图3 不同超温处理后FGH96合金PPB的高倍组织Fig.3 The morphology of PPB for different overheat treatment

图4 FGH96合金PPB的微区成份分析Fig.4 The composition analysis of PPB

图5 不同超温处理后FGH96合金的650℃拉伸性能Fig.5 The 650℃tensile properties of HIP FGH96 alloys for different overheat treatment

图6 不同超温处理后FGH96合金的室温冲击韧性Fig.6 The impact properties of HIP FGH96 alloys for different overheat treatment

再分别对按以上3种制度处理后的FGH96合金试样进行室温下的冲击性能试验，结果如图6所示。可见，FGH96合金经1 h超温处理后，冲击韧性有所升高。

标准热处理的FGH96合金中，Ti、W、Nb等强化元素的分布比较均匀，起到了应有的沉淀强化和固溶强化作用。超温情况下，这些强化元素向粉末的原始表面处扩散并形成PPB相，削弱了其原有的沉淀强化和固溶强化作用。另外，超温情况下FGH96合金中的孪晶、位错等晶体缺陷数量减少，也在一定程度上起到降低强度的作用。因此，FGH96合金超温处理后，拉伸强度有所下降，拉伸塑性和冲击韧性有所提高。

3.3 力学性能试样的断口分析

按制度1、制度5和制度7处理后，FGH96合金试样650℃拉伸断口如图7所示。拉伸试样表面为蓝灰色，断口呈棕色。由低倍照片可以看出，三种试样的拉伸断口附近缩颈均比较小，断口表面没有明显的纤维区和放射区，断口边缘有剪切唇，断裂从断口中部起始。由高倍照片可以看出，三种试样的拉伸断口上均可见沿PPB开裂的形貌特征，断口中部为类解理加韧窝的混合特征。标准热处理试样的拉伸断口的类解理特征较多，断口特征以类解理加韧窝为主；超温处理试样的拉伸断口中沿PPB开裂的特征，相比于未超温处理试样的拉伸断口更加明显。

这三种制度处理后的FGH96合金试样室温冲击断口如图8所示。由低倍照片可以看出，三种试样的冲击断口平整，没有塑性变形和明显的放射棱线。由高倍照片可以看出，三种试样的冲击断口均有非常明显的沿PPB开裂的形貌特征，并有少量类解理加韧窝混合特征。相对于超温处理试样的冲击断口，标准热处理试样的冲击断口中类解理特征更多且更加明显。相比于这三种试样的拉伸断口，冲击断口中表现出更为明显的沿PPB开裂的特征。

图7 不同超温处理后FGH96合金的650℃拉伸断口Fig.7 The fracture surface of HIP FGH96 alloy for 650℃tensile property tests

图8 不同超温处理后FGH96合金的室温冲击断口Fig.8 The fracture surface of HIP FGH96 alloy for impact property tests

FGH96合金PPB中的碳化物尺寸较大且呈网状，一旦微裂纹扩展到碳化物后，就很容易沿其边界扩展形成断裂。因此，FGH96合金超温后，断口中沿PPB开裂的特征更加明显。

4 结论

通过本文的研究，掌握了FGH96合金在超温后的PPB和主要力学性能的变化规律，获得了超温试样的断口特征，对定性分析FGH96合金涡轮转子在故障中的超温问题，及评估涡轮盘和挡板超温后的使用安全性具有重要意义。主要研究结论如下：

(1)超温后，热等静压FGH96合金中的PPB会有所增加，且随着超温温度的提高增加得更加明显。

(2)相同超温温度下，超温时间对PPB的影响不明显。

(3)相比于未超温的热等静压FGH96合金，800℃和900℃下1 h超温后的650℃拉伸强度有所降低，但650℃拉伸塑性和室温冲击韧性有所提高。

(4)热等静压FGH96合金超温后的650℃拉伸断口和室温冲击断口中，沿PPB开裂的特征比未超温断口更加明显。

[1]江和甫，古远兴，卿华.航空发动机的新结构及其强度设计[J].燃气涡轮试验与研究，2007，20(2)：1—4.

[2]刘大响.高性能航空发动机的发展对材料技术的要求[J].燃气涡轮试验与研究，1998，11(3)：1—5.

[3]江和甫.对涡轮盘材料的需求及展望[J].燃气涡轮试验与研究，2002，15(4)：1—6.

[4]李嘉荣，熊继春，唐定中.先进高温结构材料与技术：下[M].国防工业出版社，2012：152—175.

[5]刘建涛，刘国权，胡本芙，等.FGH96合金中γ′相的高温粗化行为[J].稀有金属材料与工程，2006，35(3)：418—422.

[6]王淑云，李惠曲，谭勇，等.热等静压FGH96合金热处理过程的组织[J].新技术新工艺，2008，(11)：103—105.

[7]刘建涛，刘国权，胡本芙，等.FGH96合金晶粒长大规律的研究[J].处理学报，2004，25(6)：25—29.

[8]李莹，侯学勤，陶春虎，等.某型发动机涡轮I级叶片伸长失效分析[J].钢铁研究学报，2011，23(S2)：452—454.

[9]王赟虓.某型发动机起动T4超温故障诊断[J].航空发动机，2007，33(S1)：90—91.

[10]甘晓华，王宏明，全中.大气浮尘引起某直升机发动机超温的故障特征研究[R].HJB 961522，1996.

[11]中国金属学会高温材料分会.中国高温合金手册：下卷[M].北京：中国标准出版社，2012：636.

The effect of overheat on PPB and mechanical property of HIP FGH96 alloy

ZHONG Yan1，FU Yu1，TIAN Wei1，LI Jia-jia1，ZHENG Qu-ying2，CHI Yue3
(1.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.Shenyang Liming Engine Manufacturing Corporation，Shenyang 110043，China；3.High Temperature Material Research Institute，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China)

Aero-engine parts often occur short-time overheat in operation.The effects of overheat on the primary particle boundary,tensile property and impact property of hot isostatic pressing(HIP)FGH96 alloy were researched.Both macro and micro fracture characteristics of mechanical property samples were ana⁃lyzed.The results showed that the PPB would be increased after the HIP FGH96 alloy overheated.The amount of PPB was increased with the increasing of overheat temperature,while the effect of overheat time on the amount of PPB was not obvious.After overheating,the tensile strength was reduced;the tensile plas⁃tic and impact toughness were increased for HIP FGH96 alloy.According to the analysis of fracture surface, the cracks were intended to propagate along the PPB for the overheated HIP FGH96 alloy.

aero-engine；powder metallurgy superalloy；overheating；HIP FGH96 alloy；PPB；mechanical property；fracture analysis

V250.3

A

1672-2620(2016)01-0034-05

2014-11-19；

2015-02-12

钟燕(1977-)，女，四川内江人，高级工程师，硕士，主要从事航空发动机零件材料工艺应用研究。